Lattice Boltzmann simulation of fluid flow in porous media of temperature-affected geometry

• Autorzy: Grucelski A. , Pozorski J.

Warianty tytułu

PL

Symulacje przepływu metodą siatkową Boltzmanna w ośrodku porowatym o geometrii zależnej od temperatury

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The Lattice Boltzmann method (LBM) has been applied for flow and heat transfer computations. The simulations have been performed with the single-relaxation time model and an advanced formulation of boundary conditions for LBM. For nonsothermal cases, a second distribution function has been used. First, validation tests are reported for heated flow past a single obstacle as well as over a set of regularly and randomly arranged obstacles (grains) that make up a simplified model of a porous medium. The Nusselt number for heat transfer in flow past a single obstacle has been computed. Next, novel simulations of non-isothermal flow in a porous medium of temperature-affected geometry have been undertaken. For the purpose, the thermal dilatation of grains has been accounted for. Results are presented for the pressure head loss and time-varying temperature profiles in the medium. Qualitative computations accomplished to date constitute an encouraging first step to proceed further towards the impact of temperature-affected geometry in such flows, in particular for the coking process.

PL

Metoda siatkowa Boltzmanna (LBM) została zastosowana do obliczeń przepływu i wymiany ciepła. Symulacje zostały przeprowadzone dla modelu z pojedynczym czasem relaksacji oraz zaawansowanego schematu warunków brzegowych metody LB. Dla przepływów nieizotermicznych, użyto dwóch funkcji rozkładu. Przedstawiono obliczenia testowe nieizotermicznego opływu pojedynczej przeszkody, jak również opływu regularnie oraz losowo rozmieszczonych przeszkód (ziaren), które tworzą uproszczony model ośrodka porowatego. Wyznaczono liczbę Nusselta dla przepływu ciepła w opływie pojedynczej przeszkody. Podjęto symulacje połączonych zjawisk (przepływ i wymiana ciepła) dla ośrodka porowatego o zmiennej geometrii przeszkód. W tym przypadku uwzględniono rozszerzalność termiczną ziaren. Zaprezentowano wyniki dla straty ciśnienia oraz zmienne w czasie profile temperatury dla przepływu przez ośrodek. Uzyskane dotąd jakościowe wyniki stanowią pierwszy krok do dalszych badań wpływu zależnej od temperatury geometrii ziaren ośrodka na przebieg takich przepływów, a w szczególności na proces koksowania.

Słowa kluczowe

EN

lattice Boltzmann method; porous media flow and heat transfer; variable geometry

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 50 nr 1
• Strony: 193--214
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys.

Twórcy

autor

Grucelski A.

autor

Pozorski J.

• Institute for Chemical Processing of Coal, Zabrze, Poland and Institute of Fluid-Flow Machinery, Polish Academy of Sciences, Gdańsk, Poland,

Bibliografia

• 1. Acrivos A., Snowden D.D., Grove A.S., Petersen E.E., 1965, The steady separated flow past a circular cylinder at large Reynolds numbers, J. Fluid. Mech., 21, 737-760
• 2. Bhatnagar P.L., Gross E.P., Krook M., 1954, A model for collision processes in gases. I. Small amplitude processes in charged and neutral one-component systems, Phys. Rev. A, 94, 511
• 3. Chen S., Doolen G.D., 1998, Lattice Boltzmann method for fluid flows, Annu. Rev. Fluid Mech., 30, 329-364
• 4. Grucelski A., Pozorski J., 2009, Lattice Boltzmann simulation of flow and heat transfer in porous media, Conference on Computational Methods for Thermal Problems, Naples, Italy
• 5. Grucelski A., Pozorski J., 2011, Lattice Boltzmann simulations of flow past an obstacle and in simple porous media, submitted to Computers and Fluids
• 6. Daloglu A., Unal A., 2000, Heat transfer from a cylinder in the wake flow, Int. Comm. Heat Mass Transfer, 27, 569-580
• 7. Derksen J.J., 2006, The lattice Boltzmann method for (multiphase) fluid flow simulations, Lecture Notes, CISM School, Udine
• 8. d’Humi`eres D., Ginzburg I., Krafczyk M., Lallemand P., Luo L., 2002, Multiple-relaxation-time lattice Boltzmann models in three dimensions, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A, 360, 437-451
• 9. Guo Z., Tang H., 2005, Numerical simulation for a process analysis of a coke oven, China Particuology, 3, 373-378
• 10. He X., Chen S., Doolen G.D., 1998, A novel thermal model for the Lattice Boltzmann Method in incompressible limit, J. Comput. Phys., 146, 282-300
• 11. He X., Luo L.S., 1997, Theory of the lattice Boltzmann method: From the Boltzmann equation to the lattice Boltzmann equation, Phys. Rev. E, 56, 6811-6817
• 12. Jie W., Huiming Z., 2006, Laminar flow and heat transfer from a circular cylinder in cross-flow using the Lattice-Boltzmann method, Term Paper, National University of Singapore
• 13. Kao P.H., Yang R.J., 1998, An investigation into curved and moving boundary treatments in the lattice Boltzmann method, Annu. Rev. Fluid Mech., 146, 282-300
• 14. Kim S.M., Ghiaasian S.M., 2009, Numerical modeling of laminar pulsating flow in porous media, J. Fluids Engng., 131, 141203-9
• 15. Krafczyk M., Tolke J., Rank E., Schulz M., 2001, Two-dimensional simulation of fluid-structure interaction using lattice-Boltzmann methods, Comput. Struct., 79, 2031-2037
• 16. Nomura S., Arima T., 2000, Coke shrinkage and coking pressure Turing carbonization in a coke oven, Fuel, 79, 1603-1610
• 17. Pan C., Luo L.S., Miller C.T., 2006, An evaluation of lattice Boltzmann schemes for porous media flow simulation, Comput. Fluids, 35, 898-909
• 18. Peng Y., Shu C., Chew Y.T., 2003, A 3D incompressible thermal lattice Boltzmann model and its application to simulate natural convection in a cubic cavity, J. Comput. Phys., 193, 260-274
• 19. Peng Y., Shu C., Chew Y.T., 2003, Simplified thermal lattice Boltzmann model for incompressible thermal flows, Phys. Rev. E, 68, 026701
• 20. Rothman D.H., Zaleski S., 1997, Lattice-Gas Cellular Automata, Cambridge University Press
• 21. Scheidegger A.E., 1957, The Physics of Flow Through Porous Media, University of Toronto Press
• 22. Succi S., 2001, The Lattice Boltzmann Method for Fluid Dynamics and Beyond, Clarendon Press, Oxford
• 23. Vafai K., Amiri A., 1998, Non-Darcian effects in confined forced convective flows, Transport Phenomena in Porous Media, 1, 313-329
• 24. Wang J., Wang M., Li Z., 2007, A lattice Boltzmann algorithm for fluid-solid conjugate heat transfer, Int. J. Therm. Sci., 46, 228-234
• 25. Yu H., Girimaji S.S., 2005, Near-field turbulent simulations of rectangular jets using lattice Boltzmann method, Phys. Fluids, 17, 125106
• 26. Zou Q., He X., 1997, On pressure and velocity boundary conditions for the lattice Boltzmann BGK model, Phys. Fluids, 9, 1591-1598